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1第三章焊接冶金学第14讲2上讲回顾活性熔渣对金属的氧化焊件表面氧化物对金属的氧化氧对焊接质量的影响焊缝金属的脱氧33.5.1合金化的目的及方式合金过渡是把所需的合金元素通过焊接材料过渡到焊缝金属(或堆焊金属)中去的过程，又称焊缝金属合金化。3.5焊缝金属的合金化41.过渡目的⑴补偿焊接过程中由于蒸发、氧化等原因造成焊缝中合金元素的损失；51.过渡目的⑴补偿焊接过程中由于蒸发、氧化等原因造成焊缝中合金元素的损失；⑵消除焊接缺陷，改善焊缝组织与性能。61.过渡目的⑴补偿焊接过程中由于蒸发、氧化等原因造成焊缝中合金元素的损失；⑵消除焊接缺陷，改善焊缝组织与性能。⑶获得具有特殊性能的堆焊金属。71.过渡目的⑴补偿焊接过程中由于蒸发、氧化等原因造成焊缝中合金元素的损失；⑵消除焊接缺陷，改善焊缝组织与性能。⑶获得具有特殊性能的堆焊金属。表面耐磨、热硬、耐热和耐蚀等可用堆焊方法过渡Cr、Mo、W、Mn等合金元素。8图有过渡层的熔覆显微组织92.合金过渡的方法⑴通过填充金属过渡：冶炼时加入特点：焊缝：成分均匀、稳定，合金损失少；填充金属：炼制工艺复杂，成本高；脆硬材料：轧制和拉丝困难，不能采用此方法。102.合金过渡的方法⑴通过填充金属过渡⑵通过药皮、药芯或焊剂过渡添加形式：铁合金或纯金属粉末焊剂：一般制成粘结焊剂，配合普通焊丝112.合金过渡的方法⑴通过填充金属过渡⑵通过药皮、药芯或焊剂过渡特点：⑴合金成分的配比可任意调控，可以获得任意成分的焊缝或堆焊金属；⑵除药芯焊丝外，药皮和粘结焊剂制造容易，成本低；⑶合金元素氧化损失较大，并有一部分残留在渣中，故合金利用率较低；⑷焊缝合金成分不够稳定和均匀；122.合金过渡的方法⑴通过填充金属过渡⑵通过药皮、药芯或焊剂过渡⑶直接用合金粉末涂敷过渡把需要的合金元素按比例配制成一定粘度的合金粉末，焊接时把它输送到焊接区，或直接涂敷在焊件表面或坡口内。132.合金过渡的方法⑴通过填充金属过渡⑵通过药皮、药芯或焊剂过渡⑶直接用合金粉末涂敷过渡特点：合金成分的比例调配方便、对电极(焊丝)无需特意制作，合金损失小。制粉工艺较复杂，堆焊金属的合金成分均匀性较差。143.5.2合金过渡系数合金元素的过渡系数η等于它在熔敷金属中的实际含量与它原始含量之比。即edCCCd—某合金元素在熔敷金属中的含量Ce—某合金元素的原始含量15焊条电弧焊：应考虑药皮质量系数Kb的影响，则Ce为：Ce=Cew＋KbCeo式中Cew——某合金元素在焊芯中的含量Ceo——某含金元素在药皮中的含量因此：eobewdCKCC由于药皮的氧化性较强，还有残留在熔渣的损失，一般情况下通过药皮过渡的过渡系数较小，而通过焊丝过渡时过渡系数较大。163.5.3影响过渡系数的因素焊接过程合金元素主要损失于：蒸发、氧化和残留在熔渣中只要减少这方面的损失，就能提高其过渡系数。17⑴合金元素的物理化学性质沸点：越低，焊接时的蒸发损失就越大，其过渡系数就越小，例如Mn的沸点仅2027℃，在焊接时极易蒸发，故其过渡系数小。合金元素对氧的亲和力越大，越易氧化而损失，过渡系数就越小。在1600℃时，各种合金元素对氧亲和力由小到大排顺序如下：CuNiCoFeWMoCrMnVSiTiZrAl18当用几个合金元素同时过渡时，其中对氧亲和力大的元素被氧化，就能减少其他合金元素的氧化，从而提高了它们的过渡系数。例如：在碱性药皮中加入Al和Ti，可提高Si和Mn的过渡系数。19⑵合金元素的含量试验表明，随着药皮或焊剂中合金元素含量的增加，其过渡系数逐渐增加，最后趋于一个定值。20⑶合金元素的粒度粒度越小，表面积越大，与氧作用的机会越多，合金损失就越大。因此，适当提高合金元素的粒度，可减少因氧化而造成的损失，使过渡系数增大。但是，合金元素粒度过大，又会因其不易熔化而使残留损失增大，过渡系数反而减小。21⑷药皮或焊剂的成分如果在药皮或焊剂中增加高价氧化物和碳酸盐等，不仅使气相的氧化性增大，而且也使熔渣的氧化性增大，结果导致过渡系数减小。当合金元素及其氧化物在药皮或焊剂中共存时，由质量作用定律可知，能够提高该元素的过渡系数。若其他条件相同，合金元素的氧化物与熔渣的酸碱性相同时，则有利于提高过渡系数。若性质相反，则降低其过渡系数。例如SiO2是酸性的，会随着熔渣碱度的增加，Si的过渡系数减小；MnO是碱性的，会随着熔渣碱度的增加，Mn的过渡系数增大。22⑸药皮的质量系数Kb在焊条药皮中合金剂含量相同情况下，Kb增加，过渡系数减小。一般认为随着药皮厚度增加，合金剂进入金属所经路程增大，从而使氧化和残留损失加大。23⑹焊接方法不同焊接方法因对焊接区保护的方式以及所用保护介质各不相同，即使用含有同样合金元素的填充金属，其过渡系数也各不相同，见下表。24表合金元素的过渡系数η253.6焊缝金属中硫和磷的控制S和P是钢中的杂质。通常母材和焊丝（芯）含S和P的量都很低，对焊缝金属不会带来危害。但在焊条药皮或焊剂的某些原材料中常含有相当数量的S和P，在焊接过程中过渡到焊缝金属中就会造成危害。263.6.1焊缝中S的危害及控制⑴硫的危害S在钢中主要以FeS和MnS形式存在，其中FeS的危害性最大。因为它与液态铁几乎无限互溶，而在室温下它在固态铁中的溶解度很小，仅为0.0015%~0.002%。27熔池凝固时S容易偏析，以低熔点共晶Fe＋FeS(熔点约985℃)或FeS＋FeO(熔点约940℃)的形式呈片状或链状分布于晶界，增加焊缝金属结晶裂纹的倾向，降低冲击韧度和抗腐蚀性。图Fe＋FeS相图28钢中含Ni时，S的有害作用更大，因S与Ni形成NiS，NiS又与Ni形成熔点更低(664℃)的共晶NiS＋Ni，产生结晶裂纹的倾向更大。当钢焊缝中含C量增加时，会促进S的偏析，增加S的危害性。29⑵硫的控制主要从两方面着手：先是采取工艺措施限制S的来源，然后采取冶金措施把焊缝金属中的S通过熔渣排出去。30①限制焊接材料中的含硫量⑴母材：S几乎全部进入焊缝，但母材含S量一般较低⑵焊丝：S约有70%~80%过渡到焊缝⑶药皮或焊剂：S约有50%过渡到焊缝制造焊接材料时，应严格按照有关标准选择原材料。31低碳钢及低合金钢焊丝的含S量（质量百分比）应小于0.03~0.04%；合金钢焊丝小于0.025~0.03%；不锈钢焊丝应小于0.02%。32药皮、药芯或焊剂用的原材料，如锰矿、赤铁矿、钛铁矿、锰铁等均含有一定量的S。尽量选用含S量低的原材料，必须使用含硫量过高的材料时，应预先进行处理，如采用焙烧的办法，以降低到要求范围内。33②用冶金方法脱硫选择对S亲和力比铁大的元素进行脱硫。最常用的脱硫剂是Mn，其脱硫反应为：[FeS]＋[Mn]＝（MnS）＋[Fe]反应产物MnS不溶于钢液，故大部分进入熔渣，少量残留在焊缝中，呈点状弥散分布、危害较小。34熔渣中的碱性氧化物，如MnO、CaO等也能脱硫：[FeS]＋[MnO]＝（MnS）＋[FeO][FeS]＋[CaO]＝（CaS）＋[FeO]生成的CaS和MnS不溶于钢液而进入熔渣。增加渣中的MnO和CaO的含量，减少FeO的含量，有利于脱硫。3536渣中加入CaF2能降低渣的粘度，有利于S2－扩散，同时形成易挥发物SF6，也有利于脱硫。增加熔渣的碱度可提高脱硫能力，目前常用焊条药皮和焊剂的碱度都不高（一般B＜2），其脱硫能力有限，焊接普通钢能满足要求，用于焊接w(S)＜0.014％的精炼钢，则需提高药皮或焊剂的碱性。3738近年来精炼钢的产量不断增加，迫切需要研制焊接这类钢的焊接材料。CaCO3-MgO-CaF2是高碱度粘结焊剂(用Ti作脱氧剂)，有较好的脱硫效果，焊缝含硫量小于0.010％。用强碱性无氧药皮或焊剂，可得到含硫量更低的焊缝金属(S＜0.006％)。研究表明：稀土元素不仅可以脱硫和改变硫化物夹杂的尺寸、形态和分布，而且可以提高焊缝的韧性。393.6.2焊缝中P的危害及控制⑴P的危害P在液态铁中溶解度很大，并以Fe2P和Fe3P的形式存在，但P在固态铁中的溶解度只有千分之几。P与Fe和Ni可形成低熔点共晶，如Fe3P＋Fe（熔点1050℃），Ni3P＋Fe（熔点880℃）。4041当熔池快速凝固时，P易发生偏析。磷化铁常分布于晶界，减弱了晶粒间的结合力，而且本身既硬又脆。增加了焊缝金属的冷脆性，即冲击韧度降低，脆性转变温度升高。焊接奥氏体钢或低合金钢焊缝含碳量高时，P也促使形成结晶裂纹。4243②磷的控制也和控制硫一样，首先限制磷的来源，然后再用冶金方法去磷。母材和焊丝(芯)经过冶炼一般磷含量都较低，都符合标准，所以关键在于限制制造焊条药皮、药芯或焊剂中所用原材料的含磷量。锰矿是焊缝增磷的主要来源，通常ω(P)＝0.22％，其存在形式为(MnO)3·P2O5。4445磷一旦进入液态金属，应采用冶金脱磷，分两步：第一步FeO将磷氧化生成P2O5；第二步P2O5与渣中的碱性氧化物生成稳定的磷酸盐，其反应如下：2[Fe3P]＋5(FeO)＝P2O5＋11[Fe]P2O5＋3(CaO)＝[(CaO)3·P2O5]P2O5＋4(CaO)＝[(CaO)4·P2O5]46增加熔渣的碱度可减少焊缝的含磷量，但当碱度B＞2.5时，则影响很小。在碱性渣中加入CaF2有利于脱磷，因CaF2在渣中形成Ca2+，使渣中P2O5的活度下降。此外，CaF2降低渣的粘度，有利于物质扩散。4748熔渣碱度受焊接工艺性能制约，不能过分增大，同时碱性渣不允许含有较多的FeO，否则使焊缝增氧，不利于脱磷，所以碱性渣脱磷效果并不理想。酸性渣虽含有较多的FeO，有利于磷的氧化，但因碱度低，其脱磷能力更不如碱性渣。总之，焊接时脱磷比脱硫更难，要控制焊缝含磷，主要是严格限制焊接材料中的含磷量。49本讲小结过渡目的和合金过渡的方法合金过渡系数影响过渡系数的因素焊缝中S的危害及控制焊缝中P的危害及控制